煤礦礦井廢水中的除氟技術(shù)研究

孟 婷

（包頭市生態(tài)環(huán)境局綜合保障中心土默特右旗中心，內(nèi)蒙古 包頭 014100）

引言

煤礦開采中所排放的礦井水通常具有較強的污染性，若是直接進行排放不僅會導(dǎo)致水資源浪費，還會污染周邊環(huán)境，嚴重威脅生態(tài)安全[1]。氟作為鹵素族中最輕，也是反應(yīng)性最強的元素，若不對其進行處理，將會導(dǎo)致礦井水排放后周邊區(qū)域地下水化學性質(zhì)發(fā)生改變[2]。因此，為加強礦井水回收再利用，降低礦井水排放對周邊環(huán)境的污染，必須要對礦井水除氟技術(shù)進行研究分析。

1 試驗方法

1.1 原水采集與分析

為保障研究的有效性，實際試驗中將會直接采用某煤礦礦區(qū)的礦井水，具體取水點為礦區(qū)污水處理廠進水口區(qū)域，原水將采用聚乙烯桶進行存放。將取樣后的原水進行沉淀處理后確認，自由沉淀方法對原水中懸浮物去除效果較差，需要采用后續(xù)處理方法對其進行有效處理。

1.2 混凝-吸附試驗方法

混凝-吸附試驗方法是先采用混凝沉淀法，通過在礦井水中加入混凝劑，初步去除礦井水中的懸浮物后，再通過吸附法對處理后的礦井水進行氟離子處理[3]。在混凝處理階段，混凝劑、助凝劑分別選用PFC、殼聚糖，pH 值以及絮凝時間分別控制在7 和7 min，整個混凝過程不僅可以除去礦井水中的懸浮物，還能夠一定程度降低礦井水氟離子濃度，提高試驗效果。

吸附試驗階段，分別選用活性氧化鋁、沸石、無煙煤、骨炭、羥基磷灰石作為吸附劑，其中活性氧化鋁不僅可以發(fā)揮吸附作用，還能夠同礦井水中的氟離子發(fā)生交換作用；骨炭和羥基磷灰石作為含磷物質(zhì)，其中磷酸鈣會與礦井水中的氟離子相結(jié)合，由此來實現(xiàn)礦井水中氟離子去除效果。同時兩類物質(zhì)與原煤粉性質(zhì)較為相似，有利于實現(xiàn)后續(xù)原煤粉改性處理，實現(xiàn)礦井水處理的就地取材，降低礦井水處理成本[4]。

2 混凝-吸附試驗動力學試驗

在通過混凝沉淀法對礦井水原水進行處理以后，通過正交試驗法對研究中所提出的各類吸附劑進行正交試驗設(shè)計，進而根據(jù)正交試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)最佳吸附劑為羥基磷灰石、pH 值為4、吸附試驗溫度為25 ℃、吸附時間為90 min。為進一步驗證此結(jié)果的有效性，研究中將會豐富對各類吸附劑的礦井水除氟效果進行動力學試驗分析，進而獲取到圖1 和下頁圖2 中的動力學試驗結(jié)果。

在動力學模擬試驗結(jié)果中，模擬結(jié)果值越近似于1，說明動力學模擬效果越好[5]。由圖1 和圖2 可知，羥基磷灰石對礦井水中氟離子的吸附更符合準二級動力學模型，而骨炭和活性氧化鋁對礦井水中氟離子的吸附則更符合顆粒內(nèi)擴散模型。

圖1 準一級、二級動力學模擬試驗結(jié)果

圖2 顆粒內(nèi)擴散模型模擬結(jié)果

3 改性原煤粉處理含氟礦井水

通過以上研究可知，原煤粉的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)可一定程度上發(fā)揮礦井水中氟離子去除效果，但由于原煤粉的礦井水吸附效果較差，所以在研究過程中將會采用氧化鎂對原煤粉進行改性處理。

3.1 投加量對氟離子吸附效果的影響

取6 個200 mL 混凝沉淀處理后的礦井水樣品，將改性原煤粉的添加量分別控制在0.5、1、1.5、2、2.5、3 g，其他參數(shù)沿用上文中最佳參數(shù)，在振蕩反應(yīng)完成后，通過0.45 μm 微孔濾膜抽濾上清液，測量上清液中氟離子濃度結(jié)果如圖3 所示。

圖3 投加量對氟離子吸附效果的影響

由圖3 可知，對于R1材料，隨著改性原煤粉投加量的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量也在持續(xù)增加，其中當改性原煤粉投加量達到3 g時，吸附劑的吸附容量達到最大值，為0.100 mg/g，對應(yīng)的氟離子去除率為47.47%；對于R2材料，隨著改性原煤粉投加量的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量呈現(xiàn)出先升后降的情況，其中當改性原煤粉投加量達到2 g 時，吸附劑的吸附容量達到最大值，為0.155 mg/g，對應(yīng)的氟離子去除率為77.85%。相對來說，R2投加量中改性原煤粉投加量為2 g 時的吸附效果最為良好。

3.2 pH 對氟離子吸附效果的影響

除pH 值分別設(shè)置為4～10，吸附劑量設(shè)置為1.5 g以外，其他參數(shù)保持不變，以下將直接說明分析結(jié)果。

對于R1材料，隨著pH 值的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)下降；對于R2材料，隨著pH 值的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)下降，具體趨勢與R1保持一致。總體來說，弱酸性（pH 值為5 時）環(huán)境更適于實現(xiàn)吸附反應(yīng)，并且R2材料的吸附能力強于R1材料。

3.3 溫度對氟離子吸附效果的影響

pH 值設(shè)置為5，吸附劑量設(shè)置為1.5 g，溫度則設(shè)置為15、20、25、30、35 ℃，其他參數(shù)保持不變。

對于R1材料，隨著溫度的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)提升，其中溫度15 ℃時吸附容量為0.164 mg/g，對應(yīng)氟離子去除率為58.85%；對于R2材料，隨著溫度的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)提升，其中35 ℃時吸附容量為0.164 mg/g，對應(yīng)氟離子去除率為89.00%，具體趨勢與R1保持一致。總體來說，R2材料在35 ℃環(huán)境下的吸附效果最為良好。

3.4 吸附時間對氟離子吸附效果的影響

pH 值設(shè)置為5，吸附劑量設(shè)置為1.5 g，溫度設(shè)置設(shè)置為35 ℃，吸附時間分別設(shè)置為15、30、45、60、75、90 min。

對于R1材料，隨著吸附時間的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量呈現(xiàn)出先下降后上升態(tài)勢，其中吸附時間為75 min 時吸附容量為0.41 mg/g；對于R2材料，隨著溫度的持續(xù)增加，吸附劑對礦井水中氟離子的吸附容量在持續(xù)提升，其中90 min 時吸附容量0.237 mg/g，對應(yīng)氟離子去除率為80.54%。總體來說，R2材料在90 min 的反應(yīng)時間條件下的吸附效果最為良好。

3.5 改性原煤粉吸附動力學分析

如圖4 可知，改性原煤粉R1材料對礦井水中氟離子吸附更符合準二級動力學吸附模型，改性原煤粉R2材料對礦井水中氟離子吸附同樣符合二級動力學模型，并且結(jié)合上文結(jié)果可知，改性原煤粉R2材料更適用于礦井水中氟離子吸附處理。

圖4 顆粒內(nèi)擴散模型模擬結(jié)果

4 改性原煤粉在礦井水中除氟應(yīng)用

在獲取最佳煤礦礦井水改性原煤粉除氟方法以后，為驗證此方法的有效性，還需要將方法應(yīng)用于工程實踐。具體來說就是根據(jù)方法制備大規(guī)模礦井水除氟改性原煤粉材料，然后將材料應(yīng)用于礦井水除氟處理過程中。通過長達六個月的應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，由于改性原煤粉材料的主體材料為煤礦生產(chǎn)中所產(chǎn)生的原煤粉，所以可有效降低礦井水除氟處理成本，并且改性處理后的原煤粉具有較強的除氟效果，符合礦井水處理現(xiàn)行標準要求，所以值得進行普及應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文提出一種改性原煤粉礦井水除氟方法，此方法在經(jīng)過仿真分析和工程應(yīng)用后確認其有效性，證明此種方法具有較強的煤礦礦井水除氟效果，可在后續(xù)礦井水除氟設(shè)計中進行參考應(yīng)用。